金屬冷軋層狀復(fù)合工藝發(fā)展趨勢

供稿|包仲南，徐瀧，李代明，安俊博

內(nèi)容導(dǎo)讀

冷軋復(fù)合法生產(chǎn)金屬層狀復(fù)合板在我國已經(jīng)進入快速發(fā)展階段，但在產(chǎn)品性能、質(zhì)量和經(jīng)濟性等相關(guān)的工藝技術(shù)方面還存在諸多難點，限制了產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。本文在理論研究和生產(chǎn)實踐的基礎(chǔ)上，對冷軋復(fù)合生產(chǎn)工藝的發(fā)展進行了分析和展望，認為結(jié)合界面強化、異溫軋制復(fù)合、異步軋制復(fù)合、協(xié)同形變熱處理、復(fù)合自動厚度控制、自動板形控制、高速復(fù)合、全連續(xù)復(fù)合、寬幅復(fù)合、超薄覆層控制等工藝技術(shù)是冷軋層狀復(fù)合的主要發(fā)展方向和趨勢。

金屬層狀復(fù)合板是由兩層或兩層以上具有不同物理、化學(xué)和力學(xué)性能的金屬或合金材料層狀復(fù)合而成的一類新型金屬復(fù)合材料，其兼具了不同金屬組元材料的性能優(yōu)點，或者成為新型的多功能材料，或者提升了材料的性能，或者通過普通金屬對稀貴金屬的功能替代從而有效節(jié)約貴金屬材料，降低材料成本，因而具有廣泛的應(yīng)用前景。

從20 世紀50 年代起，以美日為代表，展開了冷軋復(fù)合的研究，提出了機械嚙合理論、金屬鍵理論、薄膜理論、位錯理論、擴散理論、再結(jié)晶理論、三階段理論等，并實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。我國以上海鋼鐵研究所為代表，較早從事了冷軋復(fù)合的研究和工藝實踐，并成功生產(chǎn)了熱敏雙金屬等眾多金屬層狀復(fù)合板。

但總體而言，冷軋復(fù)合產(chǎn)業(yè)在我國還處于起步階段，在產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和經(jīng)濟性相關(guān)的工藝技術(shù)方面還需要全面發(fā)展和提升。

冷軋復(fù)合工藝技術(shù)特點

冷軋復(fù)合是通過冷軋的方式，對經(jīng)過表面處理的兩層或三層金屬進行大變形軋制，再經(jīng)過后續(xù)的擴散退火實現(xiàn)金屬間的冶金結(jié)合，工藝流程如圖1所示。相較于其他層狀復(fù)合工藝，冷軋復(fù)合具有工藝流程短、生產(chǎn)效率高、能耗低、精度高、成材率高、表面質(zhì)量好、生產(chǎn)成本低等諸多優(yōu)點。

圖1 金屬層狀冷軋復(fù)核流程圖

冷軋復(fù)合是通過冷軋的方式，使待復(fù)合的金屬元件界面之間實現(xiàn)了金屬原子鍵合。要達到金屬原子鍵合，首先需要金屬結(jié)合界面足夠新鮮和潔凈。金屬表面通常都有氧化膜，需要去除或者刺破這層氧化膜，兩種金屬原子之間才能金屬鍵合；其次需要足夠的能量，使得金屬原子突破對方金屬的界面和晶界“擠入”并“兌換”對方晶體點陣中金屬原子[1]。

金屬的新鮮度依靠金屬表面的預(yù)處理實現(xiàn)，通常通過化學(xué)除膜或機械刷洗實現(xiàn)，還出現(xiàn)了電化學(xué)、激光處理等新的表面處理技術(shù)。

金屬原子互相“擠兌”的能量，一方面來自于大的軋制壓力使得金屬原子能強行擠入對方晶體，另一方面來自于軋制變形產(chǎn)生的變形熱使得金屬原子具有足夠的“躍遷”能量“兌換”對方晶體點陣中的原子，這個過程不僅需要足夠的能量，通常還需要足夠的時間，使金屬原子從“彈性擠入”變成“塑性兌換”，從“你中有我”變成“你我同體”；同時還需要后續(xù)額外的溫度，使得金屬界面間“擠兌區(qū)”的晶體結(jié)構(gòu)消除位錯，重新排序，消除內(nèi)應(yīng)力，成為有序穩(wěn)定的“結(jié)合區(qū)”，并使這種結(jié)合區(qū)由點塊擴散為全界面，實現(xiàn)結(jié)合擴散。

鑒于上述的復(fù)合機理，復(fù)合冷軋工藝與傳統(tǒng)單一金屬的冷軋相比，具有4 個明顯的特性：

1） 新鮮。金屬間結(jié)合的界面要足夠的新鮮，越新鮮，則金屬越容易結(jié)合，結(jié)合效果越好。

2） 大變形。金屬復(fù)合需要足夠的力和溫度，所以通常需要50%以上的一次變形量才能實現(xiàn)金屬界面的冶金結(jié)合。

3） 低速。由于金屬原子從“彈性擠入”到“塑性兌換”需要時間，再加上大變形需要大的軋制功耗，所以金屬冷軋復(fù)合的速度很低，通常每分鐘只有幾米的軋制速度，但金屬變形的速度很高。

4） 高溫。高溫是針對常規(guī)冷軋而言，低速軋制導(dǎo)致很難建立傳統(tǒng)冷軋有效的潤滑條件，從而增加了軋制時的摩擦熱；冷軋復(fù)合需要金屬表面新鮮潔凈，也需要保持一定的復(fù)合溫度，所以不能按照傳統(tǒng)冷軋用冷卻液體對復(fù)合板和軋輥進行冷卻，這導(dǎo)致復(fù)合區(qū)金屬和輥系的溫度要明顯高于傳統(tǒng)冷軋，控制軋輥熱疲勞、熱凸度都將成為新的課題。

為實現(xiàn)冷軋復(fù)合的快速產(chǎn)業(yè)化，就需要針對冷軋復(fù)合的上述特點，結(jié)合冷軋產(chǎn)品所需要的功能、性能和經(jīng)濟性的需要，冷軋復(fù)合在未來要重點關(guān)注以下工藝發(fā)展方向和趨勢。

產(chǎn)品性能改善的工藝技術(shù)方向

冷軋復(fù)合在產(chǎn)品性能方面，重點要持續(xù)提升界面的結(jié)合強度，同時要解決不同材料性能的協(xié)同形變熱處理難題。

結(jié)合界面強化

冷軋復(fù)合界面結(jié)合強度的提升和強化，方向之一是改善結(jié)合界面處金屬的表面狀態(tài)，使界面金屬具有足夠的新鮮度、潔凈度，以及合適的粗糙度和形貌織構(gòu)，難點是金屬表面新鮮度的保持。為此，“鮮化”金屬表面后，如何“保鮮”避免二次氧化，成為重要工藝方向。

界面強化的方向之二是控制好結(jié)合層的金屬結(jié)合方式，盡可能實現(xiàn)不同金屬間的鍵合，而非化合，尤其是防止脆性化合物的生成。當(dāng)復(fù)合類似鋁這種雙向金屬時，界面的成分控制尤其重要，這就要求嚴格的一貫制工藝規(guī)程，避免或減少脆性化合態(tài)的結(jié)合組織[2]。

異步軋制復(fù)合

異步軋制時的軋制過程金屬承受顯著的摩擦剪切作用，加劇了材料的縱向流動，廣泛應(yīng)用于難變形金屬，還可以制備超細晶金屬材料，從而改善材料的力學(xué)性能。

異步軋制劇烈變形的特點適合于冷軋復(fù)合，有助于提升復(fù)合板的結(jié)合強度。當(dāng)多層金屬的變形抗力、延伸率差異過大時，冷軋復(fù)合容易出現(xiàn)變形不協(xié)調(diào)的問題，結(jié)合層容易產(chǎn)生殘余剪向應(yīng)力，破壞金屬界面的結(jié)合。將異步軋制技術(shù)應(yīng)用于層狀軋制復(fù)合，可以克服不同金屬形變不協(xié)調(diào)的問題，尤其是難變形金屬的復(fù)合，有效減少界面層殘余剪向應(yīng)力。異步軋制復(fù)合工藝的關(guān)鍵是合適的軋輥異步速比[3]。

異溫軋制復(fù)合

對部分難變形的金屬，或者在常溫下延展性不好金屬的復(fù)合，可以通過適當(dāng)?shù)妮o助初始溫度，達到控制變形抗力，實現(xiàn)軋制復(fù)合的協(xié)同變形。

異溫軋制復(fù)合還可以用于熔點差異很大的金屬間復(fù)合，例如鋼鋁復(fù)合，將低熔點金屬加熱到接近熔融軟態(tài)，讓金屬處于活躍狀態(tài)，有助于金屬間的結(jié)合。異溫軋制復(fù)合要注意避免溫度對金屬表面的二次氧化[4]。

協(xié)同形變熱處理

層狀復(fù)合材料的難點在于不同金屬的熱處理工藝差異較大，例如銅和鋼退火溫度不同。如何協(xié)同不同金屬的形變熱處理工藝，尋找在變形、溫度和時間等工藝變量之間的最佳組合，實現(xiàn)協(xié)同形變熱處理，以達到最優(yōu)均衡，是金屬層狀復(fù)合需要重點研究的方向[5-6]。

金屬熱處理中，還容易發(fā)生金屬間的互相滲透擴散，改變或弱化材料性能。因此，需要控制好這類擴散，避免性能弱化。另外，除了常規(guī)的通過溫度為主要手段的熱處理調(diào)整材料性能外，還可以尋找其他的工藝技術(shù)來改善產(chǎn)品性能。

質(zhì)量改善的技術(shù)方向

復(fù)合板要協(xié)同好多層金屬的復(fù)合和加工，在產(chǎn)品實物質(zhì)量方面也面臨諸多需要解決的問題。

自動厚度控制

基于秒流量原理的單一金屬冷軋自動厚度控制(AGC)依然可以作為厚度控制的基礎(chǔ)，但冷軋復(fù)合中的厚度控制干擾量更多，控制目標(biāo)更多，因而難度也更大。

復(fù)合金屬要同時實現(xiàn)總厚度控制和分層厚度控制。在厚度控制中，大壓下變形導(dǎo)致的寬展是不能忽視的因素；低速軋制改變了潤滑條件，傳統(tǒng)的潤滑機理模型要重新建立，潤滑方式、潤滑介質(zhì)都需要重新探尋；多層金屬存在多個軋前張力，對每層金屬的厚度都帶來不同的影響；軋輥溫度帶來的熱輥型同樣對厚度產(chǎn)生顯著影響，尤其在初始軋制階段，為此有必要進行輥溫的有效控制和補償控制。層狀復(fù)合金屬厚度的在線測量技術(shù)和儀器還需要研究并解決，尤其是復(fù)合板分層厚度的在線測量[7]。

自動板形控制

層狀復(fù)合板的板形控制涉及到3 層金屬來料的板形疊加控制，對板形控制要求更復(fù)雜。對比傳統(tǒng)的冷軋板形控制技術(shù)，由于冷軋復(fù)合高溫的特點，需要特別注意溫度對板形的影響與控制，包括軋輥熱凸度的影響，溫升導(dǎo)致的軋輥剛度變化，邊部板溫的影響等。

綜合考慮上述因素，設(shè)計合適的初始輥型對板形控制至關(guān)重要。

產(chǎn)品經(jīng)濟性的技術(shù)方向

產(chǎn)業(yè)化必須追求經(jīng)濟性，為此需要持續(xù)探索提高經(jīng)濟性的工藝技術(shù)，實現(xiàn)金屬層狀復(fù)合板性能和成本的雙重帕累托改進。

高速復(fù)合

復(fù)合速度顯著影響冷軋復(fù)合的生產(chǎn)效率和產(chǎn)量，提高復(fù)合速度是提升生產(chǎn)效率，進而降低生產(chǎn)成本的重要因素。

復(fù)合速度主要由所需要的復(fù)合軋制力和復(fù)合時間決定。復(fù)合軋制力由金屬間實現(xiàn)機械嚙合所需要的壓力和金屬原子互相“擠兌”所需要的激活能組成。因此，金屬結(jié)合表面“鮮化”處理和保持、初始溫度輔助、合適的軋制潤滑等都是降低軋制力、提升復(fù)合速度的重要方向。

全連續(xù)復(fù)合

冷軋復(fù)合包括表面處理、冷軋復(fù)合軋制、擴散退火等工序，通過工序的連續(xù)化，實現(xiàn)連復(fù)（軋）連退、無頭軋制(復(fù)合)、一火成材，都可以降低冷軋復(fù)合的工序成本。

寬幅復(fù)合

寬幅冷軋復(fù)合有助于提高生產(chǎn)效率，降低復(fù)合工序成本，提高材料生產(chǎn)和應(yīng)用成材率。寬幅冷軋復(fù)合對復(fù)合板所需要的軋制力、以及需要控制的變量和目標(biāo)量都會增加，需要進行綜合解決。

超薄覆層控制

軋制復(fù)合中，由于變形量大，結(jié)合界面金屬產(chǎn)生了劇烈變形，當(dāng)覆層厚度不足時，基層金屬容易刺穿復(fù)層金屬，產(chǎn)生漏覆。為此需要有效控制復(fù)合結(jié)合層，使結(jié)合層均勻，沒有厚度突變，實現(xiàn)超薄覆層有效控制。

當(dāng)可以穩(wěn)定地實現(xiàn)超薄覆層控制，就可以“以復(fù)代鍍”，用冷軋復(fù)合工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)鍍層工藝生產(chǎn)各類金屬鍍層板，實現(xiàn)綠色制造。

結(jié)束語

冷軋層狀復(fù)合需要在性能、質(zhì)量和成本控制等方面進行工藝技術(shù)的持續(xù)突破和改進，才能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的快速發(fā)展。結(jié)合界面強化、異溫軋制復(fù)合、異步軋制復(fù)合、協(xié)同形變熱處理、自動厚度控制、自動板形控制、高速復(fù)合、全連續(xù)復(fù)合、寬幅復(fù)合、超薄覆層控制等是冷軋層狀復(fù)合工藝的主要發(fā)展方向和趨勢。